夾套管荒煤氣余熱回收裝置的熱力計(jì)算和模擬

董凌云，許渡姜，梁 勇，李瑞陽(yáng)

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

焦?fàn)t的余熱中約有70%來(lái)自高溫干餾產(chǎn)生的荒煤氣以及成熟焦炭，15%來(lái)自煙道廢氣，15%來(lái)自爐體自身［1］。其中，荒煤氣離開(kāi)炭化室時(shí)的溫度約為650 ℃或更高，就焦?fàn)t產(chǎn)物帶出熱而言，其顯熱高居第 2 位［2］。650～700 ℃ 的荒煤氣帶出熱（中溫余熱）約占焦?fàn)t支出熱的33.76%［3］，故回收其熱量有極高的利用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了各種焦?fàn)t上升管余熱回收工藝，也進(jìn)行了一些工業(yè)嘗試［4］，但是其大規(guī)模推廣應(yīng)用仍存在諸多問(wèn)題［5］。我國(guó)已有許多長(zhǎng)流程老舊焦?fàn)t亟待改造或拆除，而采用受熱面回收上升管荒煤氣余熱技術(shù)仍然是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的研究方向。針對(duì)換熱作用不明顯的問(wèn)題，本文對(duì)夾套管與垂直管的結(jié)合所構(gòu)成的受熱面進(jìn)行了熱力計(jì)算和模擬分析。

1 熱力計(jì)算與模擬分析

1.1 上升管的選用

荒煤氣從炭化室排出后，要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的冷卻處理。這個(gè)冷卻過(guò)程就發(fā)生在焦?fàn)t上升管內(nèi)，所以上升管的結(jié)構(gòu)尺寸不能隨意設(shè)定，荒煤氣的參數(shù)也需要嚴(yán)格把關(guān)。上升管余熱回收換熱器的主要特性為：①整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，沒(méi)有繁瑣的過(guò)程。因?yàn)樵摴に囈寻l(fā)展了十幾年，目前的設(shè)備非常完善，大型的換熱裝置已經(jīng)不復(fù)存在。②操作簡(jiǎn)單易行、安全可靠，運(yùn)行費(fèi)用不高。③一般情況下，焦?fàn)t會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)、沉積物等，利用余熱回收換熱器可以高效地解決這個(gè)問(wèn)題，可以抑制沉積物的生成［6］。從設(shè)計(jì)的角度，考慮到高效性、穩(wěn)定性，上升管分為套筒管和夾套管。兩者的區(qū)別在于，套筒式結(jié)構(gòu)換熱過(guò)程中熱量需要經(jīng)過(guò)兩層管壁以及管壁間存在的氣體層，這樣的流程會(huì)使傳熱熱阻明顯增大，即便添加常用作增加導(dǎo)熱性的物質(zhì)，換熱效果也差強(qiáng)人意，所以水夾套形式的上升管是較為明智之選。本文所使用的上升管如圖1所示，圖中尺寸單位為mm。

1.2 熱力計(jì)算與模擬的關(guān)系

圖1 夾套管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the jacketed pipe

將上升管的受熱面平分成三段，進(jìn)行分段計(jì)算。其目的是獲得從上升管溢出的氣體的溫度、管壁的平均溫度。這兩個(gè)溫度在模擬過(guò)程中是作為邊界條件來(lái)參考。為了防止溫度的誤差大導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確，在計(jì)算過(guò)程中，要特別注意使用迭代循環(huán)控制誤差，將誤差降到1%以下。設(shè)定荒煤氣側(cè)的管壁溫度與計(jì)算得到的管壁溫度誤差小于1%，荒煤氣出口溫度的誤差小于1%。圖2為熱力計(jì)算與模擬之間的關(guān)系［7］。

1.3 計(jì)算模型與邊界條件

在研究回收荒煤氣在上升管中的剩余熱量時(shí)發(fā)現(xiàn)，回收過(guò)程存在兩種換熱形式，分別為荒煤氣成分中存在的某些氣體與換熱管道間的輻射換熱以及荒煤氣與換熱管道之間的對(duì)流換熱。對(duì)流換熱中，由于荒煤氣的馬赫數(shù)Ma在0.004～0.01之間，遠(yuǎn)小于0.3，所以將荒煤氣的流動(dòng)看作是不可壓縮流體的流動(dòng)。經(jīng)計(jì)算得到荒煤氣的雷諾數(shù)Re為4 092，大于2 300，因此流動(dòng)模型可采用k–ε湍流模型。因?yàn)檩椛鋼Q熱中模型光學(xué)厚度不大于1，所以考慮選用Do模型［8］。該模型不僅可在任何場(chǎng)合使用，而且精度較高。

圖2 熱力計(jì)算與模擬之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the thermodynamic calculation and simulation

對(duì)流換熱部分的模型控制方程為［9］

輻射部分的模型控制方程為［9］

模擬時(shí)，出口和入口邊界條件分別采用壓力出口和質(zhì)量流量進(jìn)口。壁面的邊界條件采用分段計(jì)算壁溫方法，即在各個(gè)分段內(nèi)，將運(yùn)用熱力計(jì)算得到的溫度作為各處的邊界條件。

1.4 傳熱計(jì)算

荒煤氣中摻雜了多種氣體，其中存在一些有輻射作用的氣體（CH4、CO2等）。根據(jù)氣體輻射特點(diǎn)和輻射熱交換方程式，可以得到上升管內(nèi)荒煤氣的輻射傳熱量qf的計(jì)算式為［10］

式中：C0為黑體輻射系數(shù)，C0= 5.67 W·m–2·K–4；εg、εs分別為氣體、固體壁面的黑度；為氣體在壁面溫度下的吸收率；Tg、Ts分別為氣體、固體壁面溫度。

對(duì)流換熱量qd計(jì)算式為

1.5 模擬計(jì)算結(jié)果

換熱工質(zhì)水的進(jìn)口溫度為80 ℃，進(jìn)口壓力為1.5 MPa，出口處為180 ℃的飽和蒸汽，其出口壓力為1.5 MPa。圖3、4分別為不同荒煤氣流量、不同水流量時(shí)夾套管內(nèi)壁溫度分布模擬結(jié)果。為了減少計(jì)算量，圖3、4均采用鏡像對(duì)稱的網(wǎng)格劃分方法，即設(shè)定圓管對(duì)稱面在中間豎直部位。每幅圖中未顯示的圓管另一半溫度分布都與該圖中的溫度分布大致相同，所以可用已顯示部分作示例說(shuō)明。80 ℃的低溫水從圓管的左下方進(jìn)入，自下而上流動(dòng)，從圓管右邊自上而下流下，右下部分的出水口流出。圓管的正下方為荒煤氣的進(jìn)口，正上方為出口。

由圖3中知，隨著荒煤氣流量增大，荒煤氣在上升管出口處溫度升高。在上升管同一截面上，荒煤氣出口溫度變化呈逐漸上升趨勢(shì)。這是因?yàn)榛拿簹馀欧帕吭絹?lái)越大，流動(dòng)換熱的速度也越來(lái)越快，因此，上升管換熱量會(huì)相應(yīng)變大，對(duì)流換熱程度逐漸加強(qiáng)。雖然荒煤氣的流量變大，表面上對(duì)流換熱也會(huì)變強(qiáng)，但是不能忽略管道所要承受的熱負(fù)荷也不斷上升。從理論上可知，上升管所承受的熱負(fù)荷對(duì)管口溫度影響更大，其增加幅度也要遠(yuǎn)大于換熱系數(shù)增加幅度。因此，荒煤氣流量增大，上升管出口溫度也會(huì)隨之上升。

在荒煤氣顯熱回收過(guò)程中，不僅存在前文所述的兩種換熱形式，而且存在輻射換熱。這種輻射換熱是由焦?fàn)t口的紅焦散發(fā)的，其輻射熱量與荒煤氣流量成反比，即：流量增加，熱量相應(yīng)變小。因?yàn)檩椛鋼Q熱部分并不是整個(gè)換熱系統(tǒng)的主要部分，所以總輻射系數(shù)占換熱過(guò)程的比重并不大，而且這種紅焦產(chǎn)生的輻射熱量的減少并不影響總輻射換熱系數(shù)的變化，若有變化，也微乎其微。故出口處荒煤氣溢出時(shí)的溫度與其流量的增大仍成正比。這一總趨勢(shì)不會(huì)改變。

保持荒煤氣流量為 350 m3·h–1時(shí)，觀察水流量對(duì)上升管內(nèi)壁溫度的影響（如圖4所示）。由圖4中可知，水流量對(duì)荒煤氣沿上升管流程的溫度分布場(chǎng)有一定影響：在上升管同一截面上，隨著水流量增大，荒煤氣出口溫度越來(lái)越低。當(dāng)水流量設(shè)定為 1 033 kg·h–1時(shí)，發(fā)現(xiàn)荒煤氣對(duì)流速和溫度影響較大，主要體現(xiàn)在換熱管壁至管道中心這一段，此時(shí)出口處荒煤氣溢出時(shí)的溫度和流速均較小，最小值分別為：出口處平均溫度為 472 ℃；出口處平均流速為 1.88 m·h–1。之后，水流量逐漸變小，出口處荒煤氣溢出時(shí)的溫度和流速隨之緩慢增大。具體表現(xiàn)為水流量減小至 833 kg·h–1時(shí)，對(duì)應(yīng)荒煤氣出口溫度為493 ℃，荒煤氣出口流速為 2.39 m·h–1。因此，水流量對(duì)上升管內(nèi)壁溫度的影響沒(méi)有荒煤氣流量對(duì)內(nèi)壁溫度的影響大。

圖3 不同荒煤氣流量時(shí)夾套管內(nèi)壁溫度分布Fig.3 Inner surface temperature distribution of the jacketed pipe with different raw gas flow rates

圖4 不同水流量時(shí)夾套管內(nèi)壁溫度分布Fig.4 Inner surface temperature distribution of the jacketed pipe with different water flow rates

2 模擬結(jié)果分析

圖3、4中圓管對(duì)稱面左半邊氣體和液體的換熱方式為順流換熱，右半邊氣體和液體的換熱方式為逆流換熱。由于逆流時(shí)的傳熱效率比順流時(shí)的高，而且溫差大會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)的動(dòng)力大，所以在圓管內(nèi)部右邊的溫度比左邊高。在圖3、4中表現(xiàn)為豎直部位右邊的低溫區(qū)范圍比左邊的低溫區(qū)范圍小，而其高溫區(qū)范圍比左邊的高溫區(qū)范圍大。

管壁的最低溫并不出現(xiàn)在圓管的最上方，而是在距離荒煤氣出口一定距離處。出現(xiàn)這種情況的原因可能是因?yàn)樗诖颂幰淖兞鲃?dòng)方向，造成水流湍急，從而導(dǎo)致較高的局部換熱系數(shù)，因此出現(xiàn)了管壁的最低溫。

從上升管中荒煤氣的溫度分布來(lái)看，上升管的溫度場(chǎng)按照溫度不同可劃分為三部分，并且可以根據(jù)各個(gè)部分的溫度分布選擇上升管的材料。第一部分是高溫部分，該部分位于管道流程的前1 m內(nèi)，其中不僅有來(lái)自于荒煤氣的熱量，而且有占比達(dá)30%的紅焦輻射熱，因此由于溫度高該部分可以選擇耐溫材料。第二部分為中溫部分，其位于管道流程的1～2 m處。第三部分位于管道流程的最后1 m。后兩部分可以選擇一些導(dǎo)熱性能較好的材料。

3 結(jié) 論

（1）在上升管中，當(dāng)進(jìn)行換熱的荒煤氣流量較小時(shí)，換熱強(qiáng)度會(huì)變?nèi)?，溫度沿著管道變化的速度也?huì)變慢。反之，當(dāng)荒煤氣流量較大時(shí)，換熱會(huì)變強(qiáng)。但不能一味地為了追求換熱效果而增加荒煤氣流量，因?yàn)榛拿簹饬髁孔兇髸?huì)導(dǎo)致沿程流速變高，荒煤氣流出上升管道的時(shí)間變少，從而無(wú)法保證進(jìn)行充分的熱量交換，這同樣會(huì)造成荒煤氣顯熱的損失。由理論計(jì)算和模擬分析可以得到，荒煤氣流量控制在 300～350 m3·h–1是進(jìn)行顯熱回收較理想的條件。

（2）適當(dāng)增大荒煤氣流量，雖然理論上可以使換熱系數(shù)變大，換熱效果變好，但不能忽視受熱面的熱負(fù)荷。受熱面的熱負(fù)荷與荒煤氣流量成正比，會(huì)隨著荒煤氣流量的增大而增加，且熱負(fù)荷增加的幅度會(huì)遠(yuǎn)大于換熱系數(shù)增加的幅度，所以依然會(huì)使得荒煤氣出口溫度升高。水流量改變所造成的內(nèi)壁溫度變化沒(méi)有荒煤氣流量改變?cè)斐傻膬?nèi)壁溫度變化明顯，所以在余熱回收時(shí)可著重考慮改變荒煤氣流量來(lái)改變換熱效果。